Biomechanik der dorsalen dynamischen Stabilisierung

Abstract

Das Ziel der dorsalen dynamischen Stabilisierung zur Behandlung von degenerativen Wirbelsäulenerkrankungen ist, das versorgte Segment in einen physiologischen Bewegungsumfang zurückzuversetzen, um einer Anschluss- segmentdegeneration vorzubeugen und ein Fortschreiten der Degeneration in der augmentierten Bandscheibe zu verlangsamen. Zwei Implantatgruppen haben sich daraus entwickelt: pedikelschraubenbasierte dynamische Stabilisierungssysteme und interspinöse Implantate. Für beide Gruppen gibt es eine Vielzahl von Implantaten aus unterschiedlichen Materialien und Design-ausführungen. Beide Implantatgruppen werden für ein großes, aber nicht wesentlich unterschiedliches Indikationsspektrum eingesetzt. Aus klinischer Sicht hat sich für beide Implantatgruppen bis heute nicht gezeigt, für welche Art von Indikationen sie gegenüber Standardoperationsverfahren überlegen sind und ob die postulierten Ziele erreicht werden. Klinische Studien mit hoher Evidenz fehlen. Es entsteht der Eindruck, dass der klinische Einsatz rein empirisch ist, ohne genau zu verstehen, was die einzelnen zur Verfügung stehenden Implantatvarianten aus biomechanischer Sicht in der Lage zu leisten sind. Dies spiegelt sich in den vergleichsweise hohen Komplikationsraten dieser Systeme wider. Obwohl es biomechanische Studien zu einzelnen Vertretern dieser Implantatgruppen gibt, bleiben Fragen zur generellen Wirkungsweise der beiden Implantatgruppen offen, um detailliert die designbedingten biomechanischen Auswirkungen der Systeme zu verstehen. Es fehlt ein differenzierteres Bild über den möglichen klinischen Einsatz solcher Systeme. Damit könnten die Implantate zielgerichtet, den klinischen Bedürfnissen entsprechend, entwickelt und eingesetzt werden. Darüberhinaus fehlen Grundlagen, die es ermöglichen, eine physiologisch relevante präklinische Testung für diese Systeme zu gewährleisten, um die klinische Sicherheit der Produkte zu verbessern. Daraus ergaben sich die Arbeitsschwerpunkte dieser Arbeit. Mittels In-vitro-Testung wurden die designspezifischen biomechanischen Auswirkungen auf die resultierende Kinematik und das Lastübertragungsverhalten von pedikelschraubenbasierten dynamischen Stabilisierungssystemen und interspinösen Implantaten untersucht. Darüber hinaus wurde ein physiologisch relevanter Testaufbau für dynamische Pedikelschraubensysteme abgeleitet. Es konnte gezeigt werden, dass jedes dynamische Pedikelschraubensystem seinen individuellen biomechanischen Einfluss hat. Dabei zeigte sich, dass der Grad der Stabilisierung und die anteriore Lastübertragung in der Sagittal- und Frontalebene von der axialen Steifigkeit des Verbindungselements, in der Transversalebene aber von der Art des Designs abhängt. Anhand der resultierenden Drehzentren für Pedikelschraubensysteme mit einer geringen Steifigkeit, welche anhand der ROM Daten als wirklich dynamisch bezeichnet werden können, wurde für die drei Hauptbelastungsrichtungen ein kinematisch relevantes Prüfmodell abgeleitet. Ferner zeigte sich, dass jedes interspinöse Implantatdesign seine eigene biomechanische Charakteristik hat und dabei die Segmentkinematik und die Bandscheibenbelastung nur in der Sagittalebene beeinflusste, wobei die Druck-steifigkeit in Extension und die Zugsteifigkeit in Flexion den Grad der Stabilisierung bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine pauschale Indikationsstellung weder für die Implantatgruppen noch für Designs innerhalb der Gruppen zulässig ist, da jedes System seine eigene biomechanische Charakteristik aufweist. Des Weiteren konnte ermittelt werden, welche Designparameter die Segmentkinematik und das Last-übertragungsverhalten beeinflussen. Dies eröffnet die Möglichkeit, zielgerichtet Implantate zu entwickeln, die klinische Anforderungen besser berücksichtigen könnten. Nicht zuletzt sollte aufgrund dieser Erkenntnisse die Indikationsstellung für jedes einzelne System gründlich überdacht werden.

As an alternative treatment for chronic back pain due to disc degeneration, motion preserving techniques, such as posterior dynamic stabilization, have been introduced clinically. The intention of such treatment is to alter the load transfer and kinematics to prevent accelerated degeneration in adjacent segments as well as to delay further degeneration at the affected level. Two main implant groups have evolved for posterior dynamic stabilization: namely pedicle screw based dynamic stabilization and interspinous implants. For both groups, numerous implants are available with a diverse range of design features and materials. Although both groups are used for a myriad of clinical indications, no substantial differences are apparent. For both implant types, the current understanding of which design is most effective for various clinical indications remains unclear. Additionally, a better knowledge of performance criteria for each implant would be beneficial in a clinical setting. With a lack of high level evidence from clinical studies, implementation of these systems is based solely on empirical data, neglecting the biomechanical impact of each individual implant. This deficiency is reflected by the high complication rate reported for these systems. Although there are biomechanical studies for single implant types from the two groups, there is still ambiguity regarding the general effect of the systems, demanding a deeper understanding of the design’s biomechanical consequences. Should an evidence-based understanding of the possible clinical indications be developed, the implants could be designed specifically to comply with these clinical requirements. Furthermore, the design related biomechanical impact of the systems are not available, which is mandatory to facilitate a physiologically relevant preclinical testing to improve device safety. The aim of this thesis was to evaluate the influence of design parameters for dynamic pedicle screw systems and interspinous implants on kinematics and load bearing characteristics through in vitro testing. Furthermore, a physiologically relevant test setup for real dynamic pedicle screw systems was derived. An individual biomechanical impact was observed in each dynamic pedicle screw system. It was determined that the degree of intersegmental stabilization and the anterior load transfer (in the sagittal and frontal planes) is dependent on the axial rod stiffness, while in the transverse plane it is dependent on the design itself. Based on the center of rotation findings for the pedicles screw systems with low implant stiffness (indicated as true dynamic systems), a kinematically relevant test setup for the three principle motion planes was derived. Also for each interspinous implant a unique biomechanical characteristics was determined, whereas intersegmental stabilization and load transfer could be influenced in the sagittal plane only. In extension, the compression stiffness of the implants was observed to correlate with stabilization and reduction of intradiscal pressure, whereas in flexion, the stiffness in tension correlates only with stabilization. The findings support the conclusion that a global indication is not apparent for the implant groups as a whole or for a single design within the group. This is a result of the unique biomechanical impact of each individual implant design. Furthermore, the influence of design parameters of pedicle screw based dynamic implants and interspinous implants on intersegmental kinematics and load transfer was investigated. The findings of this investigation facilitate a functional approach to the design by incorporating clinical demand. Based on the results of this study, clinical indications for each individual design of posterior dynamic stabilization devices should be thoroughly reconsidered.